JP2018141574A

JP2018141574A - 組成異常検知装置及び組成異常検知方法

Info

Publication number: JP2018141574A
Application number: JP2017034942A
Authority: JP
Inventors: 篤塩谷; Atsushi Shiotani
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems Ltd
Priority date: 2017-02-27
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2018-09-13
Also published as: WO2018155513A1; EP3502593A4; EP3502593A1

Abstract

【課題】冷媒のスローリーク等の異常を比較的早期に検出することを目的とする。【解決手段】組成異常検知部６０は、凝縮器の冷媒入口から冷媒出口にかけて設けられた複数の温度センサと、凝縮器の入口側圧力を検出する圧力センサと、圧力センサによって検出された圧力検出値を用いて、凝縮器における温度勾配の基準値を算出する基準値算出部６１と、温度検出部によって検出された複数の温度検出値を用いて温度勾配を算出する温度勾配算出部６２と、温度勾配算出部６２によって算出された温度勾配と基準値算出部６１によって算出された温度勾配の基準値との差分が、予め設定されている温度範囲を外れている場合に、異常と判定する異常判定部６３とを備える。【選択図】図４

Description

本発明は、組成異常検知装置及び組成異常検知方法に関するものである。

従来、冷凍サイクルの冷媒には、単一組成の冷媒と、複数の冷媒を混合した混合冷媒がある。混合冷媒には、共沸混合冷媒と、非共沸混合冷媒とがある。
非共沸混合冷媒は、混合される組成の沸点が異なるため、例えば、凝縮過程では、高沸点冷媒から液化する。このため、レシーバやアキュムレータ内の液相には高沸点冷媒が多く留まることとなる。したがって、非共沸混合冷媒を用いる冷凍システムでは、封入時の組成比率と運転時の組成比率（以下「循環組成」という。）とが異なることとなり、循環組成に応じた冷媒の熱物性を用いて最適な制御を行うことが重要となる。

例えば、特許文献１には、内部熱交換器に冷媒入口から冷媒出口にかけて複数の温度検出手段を設け、温度検出手段が検出した温度から、内部熱交換器の温度グライドを算出し、この温度グライドから内部熱交換器入口の乾き度を算出し、算出した乾き度を用いて膨張弁の開度や圧縮機の周波数、ファンの回転数を調整する冷凍装置が開示されている。

特開２０１５−１４１００５号公報

ところで、冷媒漏洩が発生した場合、循環組成自体が変化する。多量の冷媒が一気に漏洩する場合は運転特性が大きく変化するためすぐに検知することができるが、スローリークのように少量がある時間をかけて漏洩するような場合には、循環組成が変化することにより熱力学的特性が変化しても、特許文献１に開示されているような最適制御を行うことで性能の維持が可能となってしまう。このような場合、一般的な経年劣化による性能低下等と見間違えてしまう可能性があり、スローリークを検知することが難しかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、冷媒のスローリーク等の異常を比較的早期に検出することのできる組成異常検知装置及び組成異常検知方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の第一態様は、沸点の異なる複数種類の冷媒を混合した非共沸混合冷媒を用いた冷媒回路に適用される組成異常検知装置であって、凝縮器の冷媒入口から冷媒出口にかけて設けられた複数の温度検出手段と、前記凝縮器の入口側圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段によって検出された圧力検出値を用いて、前記凝縮器における温度勾配の基準値を算出する基準値算出手段と、前記温度検出手段によって検出された複数の温度検出値を用いて温度勾配を算出する温度勾配算出手段と、前記温度勾配算出手段によって算出された温度勾配と前記基準値算出手段によって算出された前記温度勾配の基準値との差分が、予め設定されている温度範囲を外れている場合に、異常と判定する異常判定手段とを具備する組成異常検知装置である。

凝縮器における温度勾配は、組成比率に応じて異なるため、温度勾配に基づいて冷媒の組成比率の変化を把握することができる。また、このような温度勾配は、圧力に応じて変化する。そこで、本態様では、同一圧力条件下において、現在の温度勾配と、封入した時の組成比率に応じた温度勾配とを比較することにより、組成比率の変化を把握することとしている。
上記組成異常検知装置によれば、凝縮器の冷媒入口から冷媒出口にかけて複数の温度検出手段を設け、複数の温度検出手段によって検出された複数の温度検出値を用いて現在の組成比率に応じた温度勾配が温度勾配算出手段によって算出される。また、凝縮器の入口側圧力が圧力検出手段により検出され、圧力検出手段によって検出された圧力検出値を用いて、凝縮器における温度勾配の基準値が基準値算出手段によって算出される。この基準値は、同一圧力条件下における封入時の組成比率に応じた温度勾配の理論値である。そして、異常判定手段によって、温度勾配算出手段によって算出された温度勾配と基準値算出手段によって算出された温度勾配の基準値との差分が予め設定されている温度範囲を外れているか否かが判定され、該差分が温度範囲を外れている場合に異常と判定される。このように、本態様の組成異常検知装置によれば、組成比率の変化に応じて異常か否かが判定されるので、徐々に組成比率が変化するようなスローリーク等であっても比較的早期に検知することができる。
上記凝縮器は、冷房運転の場合には室外熱交換器が凝縮器として機能し、暖房運転の場合には室内熱交換器が凝縮器として機能する。

前記組成異常検知装置において、前記凝縮器の前記冷媒入口から前記冷媒出口までの冷媒配管の有効長を１００％とし、前記有効長の開始位置を０％、前記有効長の終了位置を１００％とした場合に、前記温度検出手段は、有効長０％以上４０％以下の間に少なくとも一つ設けられた入口側温度検出手段と、有効長９０％以上１００％以下の間に少なくとも一つ設けられた出口側温度検出手段とを有し、前記温度勾配算出手段は、少なくとも一つの前記入口側温度検出手段によって検出された温度検出値と、少なくとも一つの前記出口側温度検出手段によって検出された温度検出値とを用いて温度勾配を算出することとしてもよい。

温度検出手段は、所定の精度誤差を含んでいる。例えば、冷凍装置で用いられる銅パイプ型サーミスタ等の廉価な温度センサは簡易構造のため、精度誤差が±２．０℃程度発生する可能性がある。このような場合、温度勾配が４℃以下の場合は、算出した温度勾配が冷媒組成からくる値であるのか、センサ誤差によるものであるのか判断することが困難となる。しかしながら、例えば、有効長の０％以上４０％以下の間に設けられた入口側温度検出手段と、有効長９０％以上１００％以下の間に設けられた出口側温度検出手段とによってそれぞれ検出された温度検出値を用いて温度勾配を算出することにより、４℃以上の温度勾配を確保することができ、廉価な温度センサを用いることが可能となる。

前記組成異常検知装置において、前記温度勾配算出手段は、前記開始位置に最も近い前記入口側温度検出手段によって検出された温度検出値と、それ以外の前記温度検出手段によって検出された温度検出値のうち最も低い温度検出値との差分を前記温度勾配として算出することとしてもよい。

このように、入口側温度検出手段によって検出される最も高い温度検出値と、それ以外の温度検出手段によって検出された温度検出値のうち最も低い温度検出値との差分を温度勾配として算出することにより、算出可能な最大の温度勾配を用いて異常検知を行うことができる。これにより、センサ誤差による影響を低減でき、組成比率に応じた温度勾配を得ることができる。

本発明の第二態様は、上記いずれかに記載の組成異常検出装置を備える非共沸混合冷媒を用いた冷凍装置である。

本発明の第三態様は、沸点の異なる複数種類の冷媒を混合した非共沸混合冷媒を用いた冷媒回路に適用される組成異常検知方法であって、凝縮器の冷媒入口から冷媒出口にかけて設けられた複数の温度検出位置における温度を検出する工程と、前記凝縮器の複数検出位置における温度検出値を用いて前記凝縮器における温度勾配を算出する工程と、前記凝縮器の入口側圧力を検出する工程と、前記凝縮器の入口側圧力から温度勾配の基準値を算出する工程と、算出した前記温度勾配と前記温度勾配の基準値との差分が予め設定されている温度範囲を外れている場合に、異常と判定する工程とを有する組成異常検知方法である。

本発明の第四態様は、凝縮器と、蒸発器と、凝縮器と蒸発器との間に設けられたレシーバと、前記レシーバと前記蒸発器との間に設けられた減圧手段とを備え、沸点の異なる複数種類の冷媒を混合した非共沸混合冷媒を用いた冷媒回路に適用される組成異常検知装置であって、前記凝縮器と前記レシーバとの間を流通する冷媒温度を検出する第１温度検出手段と、前記減圧手段によって減圧された冷媒の温度を検出する第２温度検出手段と、前記減圧手段によって減圧された冷媒の圧力を検出する圧力検出手段と、前記第１温度検出手段によって検出された第１温度から冷却域の第１エンタルピーを算出する第１エンタルピー算出手段と、前記第１エンタルピー算出手段によって算出された最新の第１エンタルピーと前記冷媒の封入時における冷媒の組成比率に対応する第１エンタルピーとの変化量を第１変化量として演算する第１変化量演算手段と、前記第２温度検出手段によって検出された第２温度および前記圧力検出手段によって検出された圧力を用いて、減圧後のエンタルピーを第２エンタルピーとして算出する第２エンタルピー算出手段と、前記第２エンタルピー算出手段によって算出された最新の第２エンタルピーと前記冷媒の封入時における冷媒の組成比率に対応する第２エンタルピーとの変化量を第２変化量として演算する第２変化量演算手段と、前記第１変化量演算手段によって算出された第１変化量または前記第２変化量演算手段によって算出された第２変化量が予め設定されている所定の閾値以上である場合に、異常と判定する異常判定手段とを具備する組成異常検知装置である。

本発明によれば、冷媒のスローリーク等の異常を比較的早期に検出することができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係る組成異常検知装置を有する冷凍装置の概略冷媒回路を示した図である。本発明の第１実施形態に係る室外熱交換器の概略構成を示した図である。本発明の第１実施形態に係る室内熱交換器の概略構成を示した図である。本発明の第１実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。二種の冷媒を混合した非共沸混合冷媒の温度勾配の一例を示した図である。三種の冷媒を混合した非共沸混合冷媒の温度勾配の一例を示した図である。本発明の第２実施形態に係る組成異常検知装置を有する冷凍装置の概略冷媒回路を示した図である。本発明の第２実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。第１エンタルピーと第２エンタルピーとの関係を示したモリエル線図である。

〔第１実施形態〕
以下に、本発明の第１実施形態に係る組成異常検知装置及び組成異常検知方法について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る組成異常検知装置を有する冷凍装置の概略冷媒回路を示した図である。この冷凍装置１は、圧縮機２と、冷媒循環方向を切換える四方切換弁（流路切換手段）４と、送風機５が付設されている室外熱交換器６と、暖房用の電子膨張弁７と、レシーバ８と、冷房用の電子膨張弁９と、送風機１０が付設されている室内熱交換器１１と、圧縮機２の吸入配管に設けられたアキュームレータ１２とを冷媒配管により順次接続した閉サイクルの冷媒回路により構成されている。

冷凍装置１は、四方切換弁４によって冷媒循環方向を切換えることにより、冷暖房が可能なヒートポンプサイクルとされているが、冷凍またはヒートポンプの単独サイクルとしたものであってもよい。
上記冷凍装置１においては、圧縮機２から吐出された高温高圧の冷媒ガスを四方切換弁４により室外熱交換器６側に循環させ、室外熱交換器６を凝縮器、室内熱交換器１１を蒸発器として機能させることにより冷房運転を行い、高温高圧の冷媒ガスを四方切換弁４により室内熱交換器１１側に循環させ、室内熱交換器１１を凝縮器、室外熱交換器６を蒸発器として機能させることにより、暖房運転を行うことができる。

冷凍装置１には、非共沸混合冷媒が封入されている。非共沸混合冷媒の一例として、ＣＯ_２（二酸化炭素）、Ｒ３２（ＨＦＣ３２）、Ｒ１２３４ｚｅ（ＨＦＯ１２３４ｚｅ）を所定比率で混合したものが挙げられる。

このような冷凍装置１において、室外熱交換器６の下流側には冷房運転中において、室外熱交換器６から流出された冷媒を更に過冷却するための過冷却器１３が設けられている。このように、過冷却器１３を設けることにより、低沸点冷媒についても確実に凝縮させることが可能となり、冷凍能力を向上させることが可能となる。
また、室内熱交換器１１の下流側にも暖房運転中において、室内熱交換器１１から流出された冷媒を更に過冷却するための過冷却器（図示略）が設けられている。

室外熱交換器６において、冷房運転時における冷媒流れ入口側には、圧力センサ（圧力検出手段）３０ａが設けられている。
更に、室外熱交換器６には、複数の温度センサ（温度検出手段）３１ａ〜３４ａが設けられている。なお、ここでは４つの温度センサを設ける場合を例示しているが、温度センサの数はこの例に限られない。

図２は、室外熱交換器６の概略構成を示した図である。
図２に示すように、本実施形態に係る室外熱交換器６は、例えば、シェルアンドチューブ型の熱交換器であり、本体内部に設けられた複数の伝熱管（冷媒配管）４０ａ〜４０ｎ内を冷媒が流通するような構成とされている。

冷房運転時において、冷媒は、冷媒入口２１ａから本体内に流入され、伝熱管４０ａ〜４０ｎ内を流通する過程において本体内を流通する冷却水と熱交換をすることにより凝縮し、液冷媒または気液混合冷媒として冷媒出口２２ａから流出される。

なお、図２では、複数の伝熱管４０ａ〜４０ｎが冷媒入口２１ａから冷媒出口２２ａまでの間に設けられている場合について例示しているが、伝熱管の設置数については特に限定されない。例えば、１つの伝熱管４０ａのみが設置されている構成でもよい。
温度センサ３１ａ〜３４ａは、これら複数の伝熱管４０ａ〜４０ｎのうち、少なくとも一つの伝熱管４０ａに設けられている。具体的には、冷媒入口２１ａから冷媒出口２２ａまでの冷媒配管の有効長を１００％とし、有効長の開始位置を０％、有効長の終了位置を１００％とした場合に、０％の位置に温度センサ３１ａが、約１０％の位置に温度センサ３２ａが、約２０％の位置に温度センサ３３ａが、約９０％の位置に温度センサ３４ａが設けられている。

なお、温度センサ３１ａ〜３４ａの設置位置についてはこの例に特に限定されないが、例えば、有効長０％以上４０％以下の間に少なくとも１つの温度センサ（入口側温度検出手段）が設けられ、有効長９０％以上１００％以下の間に少なくとも一つの温度センサ（出口側温度検出手段）が設けられることが好ましい。このような配置とすることで、５℃以上の温度勾配を確保することが可能となる。廉価な温度センサは、４℃程度の計測誤差を含んでいる場合がある。このような廉価な温度センサを用いた場合、実際の温度勾配が４℃程度の場合には、温度センサによって計測された値から温度勾配を正確に算出することが困難となる。しかしながら、少なくとも４℃以上の温度勾配が得られる位置にそれぞれの温度センサを配置しておくことにより、廉価な温度センサを利用することが可能となる。

同様に、室内熱交換器１１についても上述した室外熱交換器６と同様の位置に温度センサ３１ｂ〜３４ｂが設けられている。図３は、室内熱交換器１１の概略構成を示した図である。図３に示すように、本実施形態に係る室内熱交換器１１は、例えば、シェルアンドチューブ型の熱交換器であり、本体内部に設けられた複数の伝熱管（冷媒配管）４１ａ〜４１ｎ内を冷媒が流通するような構成とされている。

暖房運転時において、冷媒は、冷媒入口２１ｂから本体内に流入され、伝熱管４１ａ〜４１ｎ内を流通する過程において本体内を流通する冷却水または空気と熱交換をすることにより凝縮し、液冷媒または気液混合冷媒として冷媒出口２２ｂから流出される。

なお、図３では、複数の伝熱管４１ａ〜４１ｎが冷媒入口２１ｂから冷媒出口２２ｂまでの間に設けられている場合について例示しているが、伝熱管の設置数については特に限定されない。例えば、１つの伝熱管４１ａのみが設置されている構成でもよい。
温度センサ３１ｂ〜３４ｂは、これら複数の伝熱管４１ａ〜４１ｎのうち、少なくとも一つの伝熱管４１ａに設けられている。具体的には、冷媒入口２１ｂから冷媒出口２２ｂまでの冷媒配管の有効長を１００％とし、有効長の開始位置を０％、有効長の終了位置を１００％とした場合に、０％の位置に温度センサ３１ｂが、約１０％の位置に温度センサ３２ｂが、約２０％の位置に温度センサ３３ｂが、約９０％の位置に温度センサ３４ｂが設けられている。

なお、温度センサ３１ｂ〜３４ｂの設置位置についてはこの例に特に限定されないが、例えば、有効長０％以上４０％以下の間に少なくとも１つの温度センサ（入口側温度検出手段）が設けられ、有効長９０％以上１００％以下の間に少なくとも一つの温度センサ（出口側温度検出手段）が設けられることが好ましい。このような配置とすることで、５℃以上の温度勾配を確保することが可能となる。廉価な温度センサは、４℃程度の計測誤差を含んでいる場合がある。このような廉価な温度センサを用いた場合、実際の温度勾配が４℃程度の場合には、温度センサによって計測された値から温度勾配を正確に算出することが困難となる。しかしながら、少なくとも４℃以上の温度勾配が得られる位置にそれぞれの温度センサを配置しておくことにより、廉価な温度センサを利用することが可能となる。

圧力センサ３０ａ、３０ｂによって計測された圧力計測値および温度センサ３１ａ〜３４ａ、３０ｂ〜３４ｂによって計測された温度計測値は、制御装置５０（図３参照）に出力される。
制御装置５０は、冷凍装置１全体の動作の制御を司るものであり、例えば、図４に示すように、組成異常検知部（組成異常検知装置）６０を備える他、図示しない圧縮機の運転周波数を制御する圧縮機制御部、膨張弁の開度を制御する膨張弁制御部、送風機の回転数を制御する送風機制御部等を有している。

制御装置５０は、例えば、図示しないＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。上記各部の機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。

組成異常検知部６０は、冷房時においては、凝縮器として機能する室外熱交換器６における凝縮過程での温度勾配に基づいて組成比率の変化を検知し、暖房時においては、凝縮器として機能する室内熱交換器１１における凝縮過程での温度勾配に基づいて組成比率の変化を検知する。
以下、冷房時における組成変化の検知を例に挙げて説明する。
例えば、図５及び図６に示すように、室外熱交換器６における温度勾配は、組成比率に応じた固有の特性を有する。図５は二種の冷媒（例えば、Ｒ１２３４ｚｅ、Ｒ３２）を混合した非共沸混合冷媒の温度勾配の一例を示した図であり、横軸は組成比率、縦軸は温度勾配を示している。図５において、特性Ａは、有効長０％と１００％との位置における温度勾配、特性Ｂは有効長１０％と９０％との位置における温度勾配、特性Ｃは有効長２０％と９０％との位置における温度勾配、特性Ｄは有効長３０％と９０％との位置における温度勾配、特性Ｅは有効長４０％と９０％との位置における温度勾配、特性Ｆは有効長５０％と９０％との位置における温度勾配を示している。

また、図６は三種の冷媒（例えば、Ｒ１２３４ｚｅ、Ｒ３２、ＣＯ_２）を混合した非共沸混合冷媒の温度勾配の一例を示した図であり、三角形の各辺は各冷媒の混合比率を示している。この温度勾配は、圧力に応じて変化する。

本実施形態では、室外熱交換器６における現在の温度勾配と、同一圧力条件下における冷媒封入時の組成比率に応じた温度勾配とを比較することにより、冷媒封入時に対する組成比率の変化を判断し、組成異常を検知する。

具体的には、組成異常検知部６０は、基準値算出部６１と、温度勾配算出部６２と、異常判定部６３とを備えている。基準値算出部６１は、圧力センサ３０ａによって検出された圧力を用いて、室外熱交換器６における温度勾配の基準値を算出する。具体的には、まず、基準値算出部６１は、圧力センサ３０ａによって検出された圧力から飽和ガス温度Ｔｓｇと飽和液温度Ｔｓｌとを得る。これは、例えば、封入した冷媒組成に関し、圧力を飽和ガス温度に換算する換算式及び圧力を飽和液温度に換算する換算式を予め保有しており、この換算式を用いて得るようにしてもよい。また、圧力と飽和ガス温度とを対応付けたテーブル及び圧力と飽和液温度とを対応付けたテーブルを予め用意し、これを保有していてもよい。

次に、基準値算出部６１は、取得した飽和ガス温度Ｔｓｇと飽和液温度Ｔｓｌの差分から温度勾配の理論値を演算し、この絶対値を基準値ΔＴｐとする。すなわち、基準値は以下の（１）式で表される。

ΔＴｐ＝｜Ｔｓｇ−Ｔｓｌ｜（１）

温度勾配算出部６２は、温度センサ３１ａ〜３４ａによって検出された複数の温度検出値を用いて温度勾配を算出する。例えば、温度勾配算出部６２は、温度センサ３２ａ〜３４ａによって検出された検出値Ｔｈ２〜Ｔｈ４の中から最も小さな検出値Ｍｉｎ（Ｔｈ２〜Ｔｈ４）を抽出し、抽出した検出値Ｍｉｎ（Ｔｈ２〜Ｔｈ４）と温度センサ３１ａによって検出された検出値Ｔｈ１との差分を算出し、この絶対値を温度勾配ΔＴｔとする。例えば、温度勾配は、以下の（２）式で表される。

ΔＴｔ＝｜Ｔｈ１−Ｍｉｎ（Ｔｈ２〜Ｔｈ４）｜（２）

また、温度勾配の算出手法は一例であり、予め設定された２つの温度センサの検出値を用いて温度勾配を演算することとしてもよい。例えば、温度センサ３１ａの検出値Ｔｈ１と、温度センサ３４ａの検出値Ｔｈ４との差分を演算し、この絶対値を温度勾配ΔＴｔとしてもよい。この場合の温度勾配は、以下の（３）式で表される。

ΔＴｔ＝｜Ｔｈ１−Ｔｈ４｜（３）

異常判定部６３は、温度勾配算出部６２によって算出された温度勾配ΔＴｔと、基準値算出部６１によって算出された温度勾配の基準値ΔＴｐとの差分が予め設定されている温度範囲を外れている場合に、異常と判定する。
異常判定部６３によって異常と判定された場合には、封入時に対して冷媒組成が許容範囲を超えて変化したと判定し、報知手段によりエラー通知を行う。エラー通知は、例えば、室内機に設けられているＬＥＤ等を点灯させることによりエラーを通知してもよいし、表示部等が設けられている場合には、表示部にエラーメッセージ等を表示させることにより、エラーを通知してもよい。また、このような視覚的な報知手段に加えて、スピーカ等などからエラーを知らせる音やメッセージを出すこととしてもよい。

また、異常判定部６３によって異常と判定されなかった場合、すなわち、温度勾配ΔＴｔと基準値ΔＴｐとの差分が予め設定されている温度範囲内である場合には、その結果に基づいて圧縮機２の運転周波数、冷房用の電子膨張弁９の開度、送風機５、１０の回転数等を調整することとしてもよい。これにより、異常と判定しない範囲においては、その循環組成に応じた冷凍装置１の制御を行うことにより、循環組成の変化による冷凍能力の低下を抑制することが可能となる。

同様に、暖房運転時においては、室内熱交換器１１が凝縮器として機能することとなるから、上記温度センサ３１ａ〜３１ｄに代えて室内熱交換器１１に設けられた温度センサ３１ｂ〜３４ｂによって検出された温度検出値を、圧力センサ３０ａに代えて圧力センサ３０ｂによって検出された圧力検出値を用いて同様の処理を実行することにより、組成比率の変化を検知することが可能である。

以上説明したように、本実施形態に係る組成異常検知部（組成異常検知装置）６０及び組成異常検知方法並びに冷凍装置１によれば、同一圧力条件下において、現在の温度勾配と、封入した時の組成比率に応じた温度勾配の理論値である基準値とを比較し、この差分が予め設定されている温度範囲を外れている場合に異常と判定される。このように、組成比率の変化に応じて組成異常が判定されるので、徐々に組成比率が変化するようなスローリーク等であっても比較的早期に検知することができる。

また、本実施形態では、室外熱交換器６及び室内熱交換器１１（凝縮器）において、冷媒配管の有効長の０％以上４０％以下の間に温度センサ３１ａ〜３３ａ（３１ｂ〜３３ｂ）を配置し、有効長９０％以上１００％以下の間に温度センサ３４ａ（３４ｂ）を配置し、温度センサ３１ａ（３１ｂ）によって検出された温度検出値と、温度センサ３２ａ〜３４ａ（３２ｂ〜３４ｂ）によって検出された温度検出値のうち、最も低い温度検出値との差分を温度勾配として算出するので、少なくとも４℃以上の温度勾配とすることができる。これにより、精度誤差が±２．０℃程度発生する廉価な温度センサを用いた場合でも、算出した温度勾配が冷媒組成に依存する値であるのか、センサ誤差によるものであるのか判断することが可能となる。
また、図５に示すように、２種の冷媒が混合された二種混合冷媒の場合には、温度勾配の特性を予め保有しておくことで、温度勾配算出部６２によって算出された温度勾配から冷媒の組成比率まで得ることができる。

なお、本実施形態では、後述する組成異常を検知する為に用いられる圧力センサとして圧力センサ３０ａ、３０ｂを設けているが、例えば、圧力センサ３０ａ、３０ｂに代えて、圧縮機２と四方切換弁４との間に冷暖房兼用の圧力センサを設置することとしてもよい。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る組成異常検知装置及び組成異常検知方法並びに冷凍装置について説明する。なお、以下の説明において、第１実施形態と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略し、異なる点について主に説明する。
図７は、本実施形態に係る組成異常検知装置を有する冷凍装置１’の概略冷媒回路を示した図である。図７に示すように、本実施形態に係る冷凍装置１’は、上述した第１実施形態と同一の冷媒回路を有するが、温度センサ及び圧力センサの設置場所及び組成異常を検知する方法が異なる。

すなわち、本実施形態に係る冷凍装置１’においては、室外熱交換器６とレシーバ８との間を流通する冷媒温度を検出する温度センサ（第１温度検出手段）３５と、冷房用の電子膨張弁９によって減圧された冷媒の温度を検出する温度センサ（第２温度検出手段）３６と、冷房用の電子膨張弁９によって減圧された冷媒の圧力を検出する圧力センサ（圧力検出手段）３７とが設けられている。そして、温度センサ３５、３６及び圧力センサ３７の計測値に基づいて組成異常を検知する。

例えば、冷媒の組成比率が変化しない場合、室外熱交換器６から流出した冷媒のエンタルピー（以下「第１エンタルピー」という。）Ｈ（Ｔｈ１）と、冷房用の電子膨張弁９による減圧後における冷媒のエンタルピー（以下「第２エンタルピー」という。）Ｈ（Ｔｈ２）とは、図９のモリエル線図に示されるように、理論上一致する。
しかしながら、組成比率の変化が生じた場合には、第１エンタルピー、第２エンタルピーが理論値からずれることとなる。したがって、エンタルピーのずれ量に基づいて組成異常を検知することが可能である。

図８は、本実施形態に係る制御装置５０’の機能ブロック図である。図８に示すように、本実施形態の制御装置５０’は、組成異常検知部７０を備えている。組成異常検知部７０は、第１エンタルピー算出部７１、第１変化量演算部７２、第２エンタルピー算出部７３、第２変化量演算部７４、異常判定部７５を備えている。
第１エンタルピー算出部７１は、温度センサ３５によって検出された第１温度から冷却域のエンタルピーを算出する。例えば、第１エンタルピー算出部７１は、封入時における冷媒の組成比率に対応するモリエル線図またはそれに類する情報を予め記憶している。第１エンタルピー算出部７１は、予め記憶されているモリエル線図またはそれに類する情報から第１温度に対応するエンタルピーを取得し、これを第１エンタルピーＨ（Ｔｈ１）’とする。

第１変化量演算部７２は、第１エンタルピー算出部７１によって算出された最新の第１エンタルピーＨ（Ｔｈ１）’と冷媒の封入時における冷媒の組成比率に対応する第１エンタルピーの理論値、すなわち、図９に示した第１エンタルピーＨ（Ｔｈ１）との変化量を第１変化量として演算する。

第２エンタルピー算出部７３は、温度センサ３６によって検出された第２温度および圧力センサ３７によって検出された圧力を用いて、減圧後のエンタルピーを第２エンタルピーＨ（Ｔｈ２）’として算出する。具体的には、第２エンタルピー算出部７３は、以下の（４）式を用いて冷房用の電子膨張弁９によって減圧された後の冷媒のエンタルピーＨ（Ｔｈ２）’を算出する。

Ｈ（Ｔｈ２）’＝ＨＧ×ｘ＋ＨＬ×（１−ｘ）（４）

（４）式において、ＨＧは減圧後の飽和ガスエンタルピー、ＨＬは減圧後の飽和液エンタルピーである。

第２変化量演算部７４は、第２エンタルピー算出部７３によって算出された最新の第２エンタルピーＨ（Ｔｈ２）’と冷媒の封入時における冷媒の組成比率に対応する第２エンタルピーＨ（Ｔｈ２）との変化量を第２変化量として演算する。なお、ここで、図９に示すように、第２エンタルピーの理論値Ｈ（Ｔｈ２）は、第１エンタルピーの理論値Ｈ（Ｔｈ１）と同じ値である。

異常判定部７５は、第１変化量演算部７２によって算出された第１変化量または第２変化量演算部７４によって算出された第２変化量が予め設定されている所定の閾値以上である場合に、異常と判定する。

以上、説明したように本実施形態に係る組成異常検知部（組成異常検知装置）７０及び組成異常検知方法並びに冷凍装置１’によれば、現在の第１エントロピー、第２エントロピーを封入時の組成比率に基づく第１エントロピー（＝第２エントロピー）と比較し、その差分が予め設定されている所定の閾値以上である場合に、組成異常と判断する。このように、組成比率の変化に応じて組成異常が判定されるので、徐々に組成比率が変化するようなスローリーク等であっても比較的早期に検知することができる。

なお、上記の説明においては、冷房運転時における組成異常検知について説明したが、暖房運転時においても対応する箇所に温度センサ及び圧力センサを設置し、同様の処理を実行することにより、冷房運転時と同じく組成異常を検知することが可能である。

なお、本発明は、上記実施形態に係る発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。
また、上記各実施形態では、圧力センサ３０ａ、３０ｂ、３７及び温度センサ３１ａ〜３４ａ、３１ｂ〜３４ｂ、３６を設けることとしたが、これらのセンサとして、冷媒回路の運転制御用に設けられている既設のセンサ類を流用できる場合には、そのセンサの検出値を利用して各種演算をすればよく、新たにセンサを設置する必要はない。

１、１’：冷凍装置
６：室外熱交換器
８：レシーバ
９：電子膨張弁
１１：室内熱交換器
３０ａ、３０ｂ、３７：圧力センサ
３１ａ〜３４ａ，３１ｂ〜３４ｂ、３５、３６：温度センサ
５０、５０’：制御装置
６１：基準値算出部
６２：温度勾配算出部
６３：異常判定部
７０：組成異常検知部
７１：第１エンタルピー算出部
７２：第１変化量演算部
７３：第２エンタルピー算出部
７４：第２変化量演算部
７５：異常判定部

Claims

沸点の異なる複数種類の冷媒を混合した非共沸混合冷媒を用いた冷媒回路に適用される組成異常検知装置であって、
凝縮器の冷媒入口から冷媒出口にかけて設けられた複数の温度検出手段と、
前記凝縮器の入口側圧力を検出する圧力検出手段と、
前記圧力検出手段によって検出された圧力検出値を用いて、前記凝縮器における温度勾配の基準値を算出する基準値算出手段と、
前記温度検出手段によって検出された複数の温度検出値を用いて温度勾配を算出する温度勾配算出手段と、
前記温度勾配算出手段によって算出された温度勾配と前記基準値算出手段によって算出された前記温度勾配の基準値との差分が、予め設定されている温度範囲を外れている場合に、異常と判定する異常判定手段と
を具備する組成異常検知装置。
前記凝縮器の前記冷媒入口から前記冷媒出口までの冷媒配管の有効長を１００％とし、前記有効長の開始位置を０％、前記有効長の終了位置を１００％とした場合に、前記温度検出手段は、有効長０％以上４０％以下の間に少なくとも一つ設けられた入口側温度検出手段と、有効長９０％以上１００％以下の間に少なくとも一つ設けられた出口側温度検出手段とを有し、
前記温度勾配算出手段は、少なくとも一つの前記入口側温度検出手段によって検出された温度検出値と、少なくとも一つの前記出口側温度検出手段によって検出された温度検出値とを用いて温度勾配を算出する請求項１に記載の組成異常検知装置。
前記温度勾配算出手段は、前記開始位置に最も近い前記入口側温度検出手段によって検出された温度検出値と、それ以外の前記温度検出手段によって検出された温度検出値のうち最も低い温度検出値との差分を前記温度勾配として算出する請求項２に記載の組成異常検知装置。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の組成異常検出装置を備える非共沸混合冷媒を用いた冷凍装置。
沸点の異なる複数種類の冷媒を混合した非共沸混合冷媒を用いた冷媒回路に適用される組成異常検知方法であって、
凝縮器の冷媒入口から冷媒出口にかけて設けられた複数の温度検出位置における温度を検出する工程と、
前記凝縮器の複数検出位置における温度検出値を用いて前記凝縮器における温度勾配を算出する工程と、
前記凝縮器の入口側圧力を検出する工程と、
前記凝縮器の入口側圧力から温度勾配の基準値を算出する工程と、
算出した前記温度勾配と前記温度勾配の基準値との差分が予め設定されている温度範囲を外れている場合に、異常と判定する工程と
を有する組成異常検知方法。
凝縮器と、蒸発器と、前記凝縮器と前記蒸発器との間に設けられたレシーバと、前記レシーバと前記蒸発器との間に設けられた減圧手段とを備え、沸点の異なる複数種類の冷媒を混合した非共沸混合冷媒を用いた冷媒回路に適用される組成異常検知装置であって、
前記凝縮器と前記レシーバとの間を流通する冷媒温度を検出する第１温度検出手段と、
前記減圧手段によって減圧された冷媒の温度を検出する第２温度検出手段と、
前記減圧手段によって減圧された冷媒の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記第１温度検出手段によって検出された第１温度から冷却域の第１エンタルピーを算出する第１エンタルピー算出手段と、
前記第１エンタルピー算出手段によって算出された最新の第１エンタルピーと前記冷媒の封入時における冷媒の組成比率に対応する第１エンタルピーとの変化量を第１変化量として演算する第１変化量演算手段と、
前記第２温度検出手段によって検出された第２温度および前記圧力検出手段によって検出された圧力を用いて、減圧後のエンタルピーを第２エンタルピーとして算出する第２エンタルピー算出手段と、
前記第２エンタルピー算出手段によって算出された最新の第２エンタルピーと前記冷媒の封入時における冷媒の組成比率に対応する第２エンタルピーとの変化量を第２変化量として演算する第２変化量演算手段と、
前記第１変化量演算手段によって算出された第１変化量または前記第２変化量演算手段によって算出された第２変化量が予め設定されている所定の閾値以上である場合に、異常と判定する異常判定手段と
を具備する組成異常検知装置。